專利名稱：組合的全內反射和組織成像系統(tǒng)和方法
組合的全內反射和組織成像系統(tǒng)和方法 相關申請的對照本申請是2004年4月5日由Robert K.Rowe等提出的、標題為 "MULTISPECTRAL BIOMETRIC SENSOR"的美國專利申請No. 10/818， 698的部分延續(xù)，該申請是如下申請的非臨時申請2003年4月4日提出 的標題為"NONINVASIVE ALCOHOL MONITOR"的美國臨時專利申請 No. 60/460， 247; 2003年6月27日由Robert K. Rowe等提出的標題為 "HYPERSPECTRAL FINGERPRINT READER "的美國臨時專利申請 No.60/481， 281; 2003年9月18日提出的標題為"HYPERSPECTRAL FINGERPRINTING"的美國臨時專利申請No. 60/504， 594;以及2004年3 月10日提出的標題為"OPTICAL SKIN SENSOR FOR BIOMETRICS"的美 國臨時專利申請No. 60/552, 662。本申請還涉及2001年6月5日提出的標題為"APPARATUS AND METHOD OF BIOMETRIC DETERMINATION USING SPECIALIZED OPTICAL SPECTROSCOPY SYSTEM"的共同受讓的美國專利臨時申請No. 09/874， 740。將上面提到的每一個申請的全部內容在此引入作為參考。
技術背景本申請大體上涉及生物測定學。更詳細地，本申請涉及組合的全 內反射和組織成像系統(tǒng)和方法。"生物測定學"通常是指對活體的特性進行統(tǒng)計分析。生物測定 學的一個范疇包括"生物測定識別"，它通常工作在兩個模式之一下， 用于提供對人的自動識別，或者用于驗證所支撐的(purported)人的 身份。生物測定檢測技術測量人的物理特征或行為特性，并把這些特 征與類似的預記錄的測量進行比較，以確定是否匹配。通常用于生物 測定識別的物理特征包括臉、虹膜、手的幾何結構、血管結構和指 紋圖案，這些是所有生物測定-識別特征中最普遍的特征。當前的用于 分析所收集指紋的方法包括光學、電容性、射頻、熱、超聲技術， 以及若千其他不常用的技術。多數指紋收集方法依賴于對手指表面或非?？拷种副砻嫣幍?皮膚的特性進行測量。具體地，光學指紋讀取器典型地依賴于是否存在檢測器壓盤(platen)和置于其上的手指之間的折射率之差。當指 紋中由空氣填充的谷(valley)高于壓盤的特定位置時，由于空氣-壓盤的折射率的差別，壓盤中出現全內反射("TIR")。備選地，如果 具有適當折射率的皮膚與壓盤發(fā)生光學接觸，則這個位置處的TIR "受 阻"，允許光穿過壓盤-皮膚的分界面，或者在一些布置中，允許光以 在該位置出現TIR現象時不可實現的角度而穿過該分界面。在手指與壓 盤發(fā)生接觸的區(qū)域上，由TIR的差異形成的圖形成了傳統(tǒng)光學指紋讀取 的基礎。存在多種光學裝置，用于檢測亮場和暗場光學布置中的光學 分界面的變化。通常，使用單一的、準單色光束來執(zhí)行這種基于TIR、、還存在非TIR光學指紋檢測器。在多數情況下，這些檢測器依賴 于一些準單色光裝置以便照射指尖的前面、側面、或后面，使光漫射 經過皮膚。由于皮膚-壓盤邊界上光透射對于脊(ridge)和谷的差別， 形成了指紋圖像。本領域的技術人員可以理解，光透射的差別是由 Fresnel反射特性的變化而引起的，而該變化是由谷中是否存在任意中間氣隙而引起的。盡管TIR指紋檢測器是最普通形式的光學指紋讀取器，但它們尤其容易受到非理想條件所造成的圖像品質問題的影響。如果皮膚過干， 將會損害與壓板的折射率匹配，導致較差的圖像對比度。類似地，如 果手指過濕，則谷中會填有水，導致在全部指紋區(qū)域上發(fā)生光耦合， 并嚴重減小了圖像對比度。如果手指對壓板的壓力過小或過大、皮膚 或檢測器較臟、皮膚老化和/或磨損、或出現過于精細的特性(例如在 特定人種和非常小的兒童中)，會出現類似的效果。這些效果降低了圖 像品質，從而降低了指紋檢測器的整體性能。在一些情況下，商用光 學指紋讀取器包含由例如硅樹脂的軟材料形成的薄膜，以幫助減輕這 些效果并恢復性能。作為軟材料，該薄膜易于受到損害、磨損和污染， 這限制了檢測器在不具有維護的情況下的使用，并限制了檢測器所能 使用的環(huán)境。生物測定檢測器，尤其是指紋生物測定檢測器，通常易于被各種 形式的欺騙樣本而擊敗。在指紋讀取器的情況下，現有技術中存在多 種已知的方法，用于將所認證的用戶的指紋圖案呈現給讀取器，所述 指紋圖案嵌在某種無生命材料中，例如紙、明膠、環(huán)氧數值、乳膠等。 因此，即使認為指紋讀取器可靠地確定了匹配指紋圖案是否存在，用 于確保匹配圖案是從真正的活體手指獲取的整體系統(tǒng)安全性也是非常 關鍵的，而這對于許多普通的檢測器來說是難以確定的。一些生物測定系統(tǒng)被擊敗的另一種方式是通過使用重放攻擊。在 這個情景中，當被認證的用戶正在使用該系統(tǒng)時，入侵者記錄下來自 檢測器的信號。之后，入侵者操作檢測器系統(tǒng)，使得預記錄的被認證 信號被輸入系統(tǒng)，從而繞過檢測器自身，并獲得對受到生物測定保護 的系統(tǒng)的訪問。因此，現有技術中存在對用于生物測定檢測的改進的方法和系統(tǒng) 的需求。發(fā)明內容本發(fā)明的實施例提供了用于把全內反射和組織成像進行組合以 執(zhí)行生物測定功能的方法和系統(tǒng)。在一組實施例中，提供了一種用于 執(zhí)行生物測定功能的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括照射源、壓盤、光檢測器、光具組(optical train)、以及計算單元。所述壓盤被布置為與個體的 皮膚部位發(fā)生接觸。所述光具組被布置為提供照射源與壓盤之間以及 壓盤與光檢測器之間的光路。照射源與光具組的組合提供了在多光譜 條件下對壓盤的照射。計算單元與光檢測器接口連接，并具有用于根 據從皮膚部位接收到的第一部分光來產生全內反射圖像、并用于根據 從皮膚部位接收到的第二部分光來產生多光譜組織圖像的指令。在一些實施例中，所述照射源可以是多色照射源。在一些情況下，
所述光具組包括具有多個面(facet)的棱鏡，所述照射源被布置為向 第一面提供照射光，而所述光檢測器被布置為從第二面接收光。在特 定實施例中，第一和第二面是同一個面。在其他實施例中，所述光檢 測器包括被布置為接收通過第二面的第一部分光的第一光檢測器， 以及被布置為接收來自第三面的第二部分光的第二光檢測器。第二面 大致上與第一軸正交，所述第一軸與壓盤的角度大于壓盤與空氣的分界面的臨界角e"第三面大致上與第二軸正交，所述第二軸與壓盤的角度小于臨界角0e。在特定實施例中，第一、第二和第三面是不同的面。在一些實例中，可以在不同于第一、第二和第三面的第四面上布 置漫反射體。在其他實例中，可以在不同于第一、第二和第三面的第 四面上布置光吸收體。在一些實施例中，可以對光進行偏振。例如，所述光具組可以包 括被布置為對入射到皮膚部位的光進行偏振、并對光檢測器接收到的 光進行偏振的偏光器。在一個實施例中，偏光器的朝向使得入射到皮 膚部位上的光和光檢測器接收到的光具有大致平行的偏振。在另一個 實施例中，偏光器的朝向使得入射到皮膚部位上的光和光檢測器接收 到的光具有大致正交的偏振。在第二組實施例中，提供了一種用于執(zhí)行生物測定功能的方法。 在多光譜條件下照射個體的皮膚部位。從皮膚部位接收光。根據接收 到的第一部分光來產生皮膚部位的全內反射圖像。根據散射的第二部 分光來產生皮膚部位的多光譜組織圖像。在不同的實施例中，可以利用多色光來照射皮膚部位，在一些情 況下，利用單一的照射源來提供多色光。在一個實施例中，通過產生 光并把所產生的光對準皮膚部位和漫反射體以提供漫射光場，來照射 皮膚部位。在這個實施例中，通過識別與皮膚部位和光發(fā)生光接觸并 吸收光的位置相對應的暗圖案，來產生皮膚部位的全內反射圖像。在 另一個實施例中，通過產生光并把所產生的光對準皮膚部位和光吸收 體，來照射皮膚部位。在這個實施例中，皮膚部位的全內反射圖像包 括識別與皮膚部位和光發(fā)生光接觸并重新發(fā)射光的位置相對應的被照 射圖案。
在一些實施例中，皮膚部位與壓盤發(fā)生接觸，所述壓盤定義了具有臨界角^的壓盤-空氣分界面。利用布置在第一軸上的第一檢測器來接收第一部分光，所述第一軸與壓盤-空氣分界面的角度大于9 c。利用布置在第二軸上的第二檢測器來接收第二部分光，所述第二軸與壓盤-空氣分界面的角度小于e c。在一些實例中，照射皮膚部位可以包括對所產生的光進行偏振，并對接收到的第二部分光進行偏振。在不同的實施例中，所產生的光 和接收到的第二部分光的偏振可以大致平行，或可以大致正交。在所 產生的光和接收到的第二部分光具有第一相對偏振的一個實施例中，重復以下步驟.照射皮膚部位、從皮膚部位接收光、產生全內反射圖 像、以及產生多光譜組織圖像，其中所產生的光和接收到的第二部分 光之間具有不同的相對偏振。在其他實施例中，照射皮膚部位可以包 括對所產生的光進行偏振，并以與所產生的光的偏振大致平行的偏 振來對接收到的第一部分光進行偏振。皮膚中的灌注(perfusion)變化可以通過重復如下步驟來識別照射皮膚部位，并從皮膚部位接收光，以產生第二多光譜組織圖像。可執(zhí)行的生物測定功能的示例包括根據組織圖像來確定皮膚部位處 的組織的活性狀態(tài)，并通過確認全內反射圖像和組織圖像與先前收集 的登記數據的一致性來對個體的身份進行驗證。在第三組實施例中，提供了一種用于執(zhí)行生物測定功能的方法。 在第一組光學條件下捕獲皮膚部位的第一圖像。在不同于第一組的第 二組光學條件下捕獲皮膚部位的第二圖像。第一和第二圖像用于執(zhí)行 生物測定功能。在一個實施例中，第一和第二組光學條件定義了入射 到皮膚部位上的光的不同波長。在另一個實施例中，第一和第二組光 學條件定義了不同的偏振狀態(tài)。


通過參考說明書的余下部分和附圖，可以實現對本發(fā)明的性質和 優(yōu)點的進一步理解，其中使用相似的附圖標記來指代相似的組件。 圖l是概括了本發(fā)明若干實施例的方面的流程圖； 施例的系統(tǒng)的示意圖；圖3是根據另一個實施例的系統(tǒng)的示意圖；圖4是根據另一個實施例的系統(tǒng)的示意圖；圖5是可以用于實現圖2-4中的系統(tǒng)的本發(fā)明方法的計算機系統(tǒng) 的示意圖；圖6示出了根據本發(fā)明實施例而產生的多光譜數據立方體；圖7A和7B提供了圖2和3中的系統(tǒng)可以使用的備選裝置的示意圖；圖8A-8C是由本發(fā)明的方法和系統(tǒng)所產生的圖像；圖9A-9C是在部分皮膚表面被遮住時由本發(fā)明的方法和系統(tǒng)所產生的圖像；以及圖10示出了在一些實施例中光學參考材料的使用。
具體實施方式
本發(fā)明的實施例提供了可以把TIR與組織成像系統(tǒng)進行組合的系 統(tǒng)。TIR組件檢査皮膚與壓盤之間的光學分界面，從而提供勾畫出接觸 區(qū)和非接觸區(qū)的圖。組織成像組件對在皮膚表面之下的組織內散射的 光進行測量。在一些實施例中，波長范圍包括紫外、可見、極近紅外、 或近紅外的范圍，或這些范圍的組合。本發(fā)明的實施例收集在多個光 學條件下獲取的圖像，例如具有不同的波長和/或偏振的條件。這里， 把這些實施例稱作提供了 "多光譜"光學條件，如使用多色照射源所 提供的"多光譜"光學條件，所述多色照射源包括用于引導光的光具 組中的偏振元件，等等。對于例如干燥、缺少彈力的非理想皮膚品質， 和/或例如典型地與上年紀的人(進行大量手工勞動、或皮膚暴露在化 學物下的人，例如理發(fā)師或護士)相關的磨損特征來說，多光譜數據 的收集有利地具有魯棒性。組合的TIR和組織圖像可以用于執(zhí)行"生物 測定功能"，該功能廣義上是指包括生物測定特征化的任意功能，包括 生物測定識別、生物測定驗證、生命狀態(tài)確定等。該系統(tǒng)中的每一個組件有利地提供了其它組件不能容易地提供 的信息，與任一組件單獨使用時相比，所述組合協(xié)同地在更寬的環(huán)境 范圍和皮膚條件下提供了更具魯棒性的性能。另外，所述組合通過提
供對子表面特征進行成像的能力，而表現出更好的欺騙檢測和生物測定能力。另外，本發(fā)明的實施例使用單一照射源來提供用于TIR測量和 組織圖像測量的光，從而實現了所述組合的效率。皮膚的成分和結構是非常不同且非常復雜的，而且因人而異。通 過執(zhí)行對皮膚和下層組織的空間-頻譜(spatio-spectral)特性的光 學測量，可以做出多個評估。例如，可以執(zhí)行生物測定識別功能以識 別或驗證正在測量誰的皮膚；可以執(zhí)行活性功能以保證被測樣本是活 的，而且是活性皮膚而不是另一種材料；可以對多個生理參數進行估 計，例如年齡、性別、種族、以及其他人口統(tǒng)計和人體測量特性；和/ 或對各種分析物和參數的濃度進行測量，所述分析物和參數包括酒 精、葡萄糖、血液灌注和氧化度、膽紅素、膽固醇、尿素等。在不同的實施例中，可以使用皮膚的復雜結構，針對特定功能來 設計所述方法和系統(tǒng)的方面。皮膚的最外層，即表皮，由下面的真皮 和皮下組織所支撐。表皮自身可以具有5個確定的子層，包括角質層、 透明層、顆粒層、棘層和基底層。因此，例如，最頂層的角質層之下 的皮膚具有與表面解剖圖有關的一些特性，以及隨著進入皮膚的深度 而變化的一些特性。雖然提供給皮膚的血液存在于真皮層，然而真皮 具有被稱作"真皮乳突"的進入表皮層的突起，該突起使血液通過毛 細血管而供應至表面附近。在手指的掌表面，這個毛細血管結構沿著 表面上的趾掌脊的結構。在身體的其他位置，毛細血管床的結構可以 更小，但仍與特定的位置和個人有關。皮膚的不同層之間的分界面解 剖圖非常復雜，而且與皮膚位置和個人有關。圖l中的流程圖提供了本發(fā)明的方法的概圖。這個圖包括可能包 括或不包括在特定實施例中的多個方面，而且圖中塊的順序并非意在 規(guī)定必需的順序，因為在備選實施例中可以使用其他順序。在塊104， 用光照射個體的皮膚部位(skin site)。在一些實例中，照射光的波 長范圍是基于硅檢測器陣列對大約350-1200nm范圍中的波長的靈敏 度。小于600nm的波長有利地強調了血液特征，因而在特定實施例中是 優(yōu)選的。在期望具有相對平滑特征的圖像的其他實施例中，可以有利 地采用大于約600nm的波長。雖然皮膚部位通常是指尖，然而備選實施
例中可以使用其他皮膚部位，具體包括手指的其他區(qū)域、手掌以及手 的其他區(qū)域。如塊108和112所示， 一些實施例可以提供多波長的照射光，禾口/或可以在不同的偏振條件下提供光。照射光的這種變化可以有利地允 許信息收集，該信息收集可以得到更為精確的生物測定結果，包括更 為精確的身份評估、活性評估等。在一個或更多個成像狀態(tài)期間使用 交叉偏振易于強調子表面特征，在一個或更多個成像狀態(tài)期間使用平 行偏振易于強調表面特征。因此，所述偏振可以不同地用于期望強調 不同特征的應用中。在使用線性偏光器對光進行偏振的情況下，"交叉的"或"正交的"是指偏振軸被設置為彼此成大約90度的狀態(tài)。在使 用圓偏光器對光進行偏振的情況下，"交叉的"或"正交的"是指使用 圓偏振的不同含義(右手或左手)的狀態(tài)。線性偏振的使用有利地以 相對低的成本提供了相對寬的光譜帶寬。可以在塊116和120處收集從皮膚部位反射、并從下層組織中散射 的光，以形成TIR和組織圖像。然后，可以在塊124處把這些圖像進行 組合，以形成生物測定應用中的合成結果。在一些實例中，根據TIR 和組織圖像所得到的信息可以分別用于不同的目的。例如，組織圖像 可以用于驗證組織的肯定活性狀態(tài)，而TIR圖像用于身份驗證。作為另 一個例子，組織圖像可以脫離TIR圖像而單獨用于識別或身份驗證，這 在某些情況下是有利的，即在由于非理想光學條件引起TIR圖像品質降 低的情況下。能夠以多種不同的方式對來自TIR和多光譜圖像的信息進 行組合，例如通過簡單地重疊所獲得的圖像或通過對所收集的數據執(zhí) 行更為復雜的非線性數學函數。TIR和組織圖像相對于彼此在空間上是 穩(wěn)定的，在一些實施例中，可以在物理上或經過圖像處理將TIR和組織 圖像調整為配準的。在一些實施例中，例如細節(jié)點的特征可以從組織 和TIR圖像中提取，并使用例如邏輯"與"、邏輯"或"的數學運算或 其他數學運算而進行組合。然后，可以使用本領域的技術人員所知的 方法來對這些生物測定特征進行處理，以確定身份。可用于照射皮膚部位以收集TIR和組織圖像的結構包括具有針 對每一種測量的單獨照射源或針對測量的組合照射源的結構，以及具
有針對每一種測量的單獨檢測器或組合檢測器的結構。此外，不同的 光學裝置可以用于引導照射光和收集光，甚至利用不同的照射源和檢 測器的組合。在使用單獨的檢測器來收集反射的或散射的光的實施例中，可以把例如TIR檢測器的一個檢測器設置為接收沿著某個軸的光， 該軸具有大于壓盤-空氣分界面所限定的臨界角的角度，而可以把例如 組織-圖像檢測器的其他檢測器設置為接收沿著具有小于臨界角的角 度的軸的光。有時，這里把檢測器描述為"攝像機"，在廣義上解釋，該術語 是指裝配用于收集電磁數據的任意設備。例如，每一個攝像機或檢測 器可以包括單一元件、多個分立元件或元件陣列?？梢赃x擇對于源波 長、信號和時序要求來說適當的光檢測材料，而且所述光檢測材料可 以包括PbS、 PbSe、 InSb、 InGaAs、 MCT、測輻射熱儀和微測輻射熱儀 陣列。當使用光譜范圍為大約350mn-1200nm的光時，適合的攝像機材 料是硅。類似地，在不同的實施例中可以使用多種不同的光源。單色 或準單色源包括發(fā)光二極管("LED")、激光二極管、以及垂直腔表 面發(fā)射激光器("VCSEL")，尤其是固態(tài)光電子器件。有時組合有濾波 元件或光閘的寬帶源包括石英鎢鹵素白熾燈泡，以及多種其他的寬帶 光源。圖2示意性地示出了使用雙攝像機并適于亮場TIR成像的一種特 殊結構。這個實施例使用單一光源224，單一光源224向光學裝置200 提供照射光240，使照射光對準其上放有皮膚部位的壓盤。在圖中，皮 膚部位被示出為手指220的表面，然而如上所述，可以在其他實施例中 使用其他的皮膚部位。所示光學裝置以棱鏡200的形式示出，然而備選 實施例可以使用等效的反射體裝置，例如鏡子，或可以使用反射體和 棱鏡的組合。在這個實施例中，棱鏡的頂部表面202作為與皮膚部位進 行界面接觸的壓盤。在棱鏡200的面204處提供有照射光240，在不同實 施例中該照射光240是大致單色的或是多色的。攝像機228可以是用于 收集來自面208的光244以提供組織圖像的攝像機，攝像機232可以是用 于收集來自面212的光248以提供組織圖像的攝像機。光源224和攝像機 228以及232可以與計算設備236進行接口連接，計算設備236對系統(tǒng)中
的這些組件的操作進行協(xié)調，并對接收到的TIR和組織圖像進行分析。
照射光240碰到面216處設置的漫反射涂層，該涂層用于亮場TIR 成像以響應被照射的漫射場。指紋圖像由組織與壓盤發(fā)生光接觸并吸 收光而留下暗圖案的點形成。在一些實施例中，還可以在面212處提供 照射光，使得能夠收集附加圖像。
在一些實施例中，面204和216中的任一或兩者都可以額外包括偏 光器涂層。如果設置在面204處，則偏光器涂層可以是僅針對特定照射 裝置的局部涂層。如果設置在面206處，則偏光器涂層可以優(yōu)選地沿著 光路而沉積在漫反射體之前，從而光遇到棱鏡，之后遇到偏光器，之 后遇到漫反射體。在偏光器涂層提供線性偏振的實施例中，線性偏光 器優(yōu)選地朝向與圖平面大致垂直的方向，從而適應Bragg反射現象所產 生的效應。如上所述，在照射面上提供正交偏振，以強調深組織成像， 同時在照射面上提供平行偏振，以強調表面反射?？梢允褂锰囟ǖ难b 置來收集兩種類型的圖像，例如通過使用不同的偏光器來提供不同照 射源的不同偏振狀態(tài)。備選地，可以在照射面上、例如在光源224之上 提供可旋轉的偏光器，從而允許利用不同位置的照射面偏光器來獲得 連續(xù)的圖像。等效地，可以在檢測面布置可旋轉的偏光器，以實現大 致相同的結果。
圖3中的示意圖示出了適于暗場TIR成像的備選裝置。該裝置的總 體結構與圖2中的類似，其中棱鏡300用于提供來自照射源324的光路， 并具有作為與例如手指320所提供的皮膚部位進行界面接觸的壓盤的 表面302。在這個實施例中，照射光340被提供于面312處，而且在所示 實施例或光學等效物中可以消除面304。面316可以涂有光吸收材料， 從而TIR成像對暗場做出響應。指紋圖像由被組織吸收、并以大于壓盤 /空氣分界面所限定的臨界角的角度而重新發(fā)射的光形成，因此提供了 皮膚與壓盤302發(fā)生接觸之處的被照射圖案。
攝像機328被布置為接收從面308發(fā)射的光344，以產生TIR圖像， 而攝像機332被布置為接收從面312發(fā)射的光，以產生組織圖像。此外， 這些攝像機328和332以及照射源324中的每一個都被設置為與計算單 元336進行通信，計算單元336可以協(xié)調不同組件的操作，并對接收到
的圖像進行分析，以完成生物測定識別、生存狀態(tài)確定等。光源324 以及攝像機328和332中的每一個的特定結構可以具有上文所述的多種 形式，而且在不同實施例中，所提供的光為大致單色的或多色的。在一些實例中，例如，可以通過向光源340、面312、或類似濾波 器的中間光學組件提供偏振涂層，使用偏振來區(qū)分不同類型的特征。 與其他實施例類似，在一些實例中，可以針對特定的照射裝置應用局 部涂層，從而可以為不同的照射裝置設置不同的偏振條件。利用圖3 所示的配置，該裝置不會引入Bragg效應。平行偏振配置將會強調表面 效果，而垂直偏振條件強調更深組織的效果。通過提供可旋轉的偏光 器， 一些實施例允許收集具有不同偏振狀態(tài)的圖像。提供不同圖像條件(例如不同的偏振狀態(tài)、不同的波長)的能力、 以及收集具有不同時間的圖像的能力允許收集更大范圍的信息。例如， 可以在多個條件下，針對子表面光學效應而對從TIR攝像機328和組織 圖像攝像機332返回的圖像進行分析。名義上，每一個攝像機收集除了 角度(angular)效應之外相同的信息，但是TIR圖像具有疊加在深組 織圖像上的TIR掩模?？梢允褂眠@個能力來適應灌注改變，對此，特定 波長通常是優(yōu)選的，特別是那些小于約600mn的波長。在一些這種實施 例中，可以使用氧化血紅蛋白的峰值吸收特征處的波長，即大約為540 和576nm的波長。圖4示意性地示出了適于暗場TIR成像但僅使用單一攝像機的備 選裝置。這個裝置在某些方面與暗場TIR裝置類似，其中棱鏡400用于 提供來自照射源424的光路，并具有作為與例如手指420所提供的皮膚 部位進行界面接觸的壓盤的表面402。利用光源424在面412處提供照射 光440，在不同實施例中光源424可以是大致單色的或是多色的。面416 涂有光吸收涂層，從而TIR成像以與圖3所述相同的方式來響應暗場。 即，指紋圖像由被組織吸收、并以大于壓盤/空氣分界面所限定的臨界 角的角度而重新發(fā)射的光形成。利用攝像機428經面408而接收的光444 來形成TIR圖像。從圖中所示幾何結構可以看出，在所示配置或等效的 光學裝置中，可以消除面404。攝像機428和光源424與計算單元436接 口連接，計算單元436被編制用于協(xié)調系統(tǒng)組件的操作，和/或對接收 到的TIR圖像進行分析。在與圖4所示相似的實施例中，可以省略顯式(explicit)組織 成像攝像機，而僅對TIR圖像中被照射的脊執(zhí)行不同條件下的組織分 析。在一些實例中，可以按照與圖3所述相同的方式對光進行偏振，以 強調表面或更深組織的效果。另外，可以利用不同的光波長、在不同 的時間、在不同的圖像條件(例如不同的偏振條件)下收集不同的圖 像。在圖2-4中所示的任意實施例中，有時希望在用于執(zhí)行校準功能 的圖像區(qū)域中的某處包括光學參考材料。這種校準可以考慮到光源強 度、增益、檢測器響應度等的變化。執(zhí)行校準的一種簡單方式是，使 用來自具有光學,材料的區(qū)域的像素值，通過獲得該圖像值與參考 值的比率而對每一個彩色圖像的余下部分進行歸一化。在不同的實施 例中，還可以使用其他校準技術。 一種適合的光學參考材料是 Spectralon ,它是由LabSphere制造的漫反射涂層。可用的其他光學 參考材料包括例如通常用于攝影的紙板反射標準、漫射白或灰塑料等。 更一般地，可以使用在時間上光穩(wěn)定的、及射與真實皮膚部位類似數 量的光的、并大致均勻的任意材料。期望光學參考材料在不使檢測器 飽和的情況下提供可測量的信號。圖5大體上示出了可以用于和其他系統(tǒng)元件一同使用的計算設備 236、 336或436的結構。單獨的系統(tǒng)元件可以以分立式或更為集成的方 式而實現。計算設備一般地由附圖標記500來指定，并被示出為包括通 過總線526而電耦合的硬件元件，這些硬件元件還與由附圖標記517— 同表示的光源和攝像機耦合。硬件元件包括處理器502、輸入設備504、 輸出設備506、存儲設備508、計算機可讀存儲介質讀取器510a、通信 系統(tǒng)514、例如DSP或專用處理器的處理加速單元516、以及存儲器518。 計算機可讀存儲介質讀取器510a還與計算機可讀存儲介質510b相連， 該組合綜合地表示遠端、本地、固定和/或可去除的存儲設備與用于暫 時和/或更持久地包含計算機可讀信息的存儲介質。通信系統(tǒng)514可以 包括有線、無線、調制解調器、和/或其他類型的接口連接，并允許與 外部設備交換數據。
計算設備500還包括軟件元件，當前示出為位于工作存儲器520 中，包括操作系統(tǒng)524和其他代碼522，例如被設計用于實現本發(fā)明的 方法的程序。本領域的技術人員可以理解，可以根據特殊需求而使用 實質性的變化。例如，還可以使用定制的硬件，和/或可以以硬件、軟 件(包括可移植軟件，例如小應用程序)或兩者來實現特定的元件。 此外，可以采用與其他計算設備的連接，例如與網絡輸入/輸出設備的 連接。上述實施例產生了不同波長和/或偏振條件下的皮膚部位的圖像 集，或產生了這樣的數據，即根據該數據可以使用重建技術來產生該 圖像集，例如在計算斷層成像分光計或其他編碼的照射/檢測子系統(tǒng)的 特定情況下。為了進行說明，下面參考這種光譜圖像集進行討論，盡 管在并未直接產生該光譜圖像的實施例中不需要針對后續(xù)的生物測定 處理而產生這些圖像。圖6示出了示意性的多光譜圖像集，該集定義了 多光譜數據立方體601。一種對數據立方體601進行分解的方式是，將其分解為與測量過 程中照射樣本所用的每一個波長和/或偏振條件相對應的圖像。在圖 中，示出了5個單獨的圖像603、 605、 607、 609和611，與5個離散照射 波長和/或照射條件相對應(例如可以把照射描述為在壓盤表面中位 置X、 Y以及角度a處具有一定強度的、照射偏振狀態(tài)P的二次點源集)。 類似的術語可以用于描述感測器的檢測面。在使用可見光的實施例中， 例如，該圖像可以與使用450nm、 500nm、 550nm、 600nm和650nm的光所 產生的圖像相對應。每一個圖像表示與皮膚相互作用的、具有特定波 長的光的光學效果，而且，在皮膚與壓盤在測量期間發(fā)生接觸的實施 例中，每一個圖像表示與皮膚相互作用的、并且還穿過皮膚-壓盤分界 面的、具有特定波長的光的光學效果。由于皮膚和皮膚成分的光學屬 性隨波長而變化，所以多光譜圖像603、 605、 607、 609和611中的每一 個一般都與其他圖像不同。例如，小于大約600nm的波長被峰值吸收率 在大約540和576nm處的血液強烈吸收。這些波長上的圖像強烈地表示 出血液特征，包括當手指按到感測器表面時的手指發(fā)白(blanching), 以及部分由于更深的血管而造成的雜色圖案。具有大于大約600nm波長 的光源對于血液較不敏感，而且實質上要平滑和均勻得多。因此，數據立方體可以被表示為R (Xs、 Ys、 as、 Ps、 X!、 Yi、 ai、 Pi、 A)，并描述了當以Xs、 Ys、 as、 Ps所描述的二次源點照射時，以 角度arS每一個圖像點Xh Yi處看見的、并通過由Pi描述的偏振元件 而觀看到的具有波長X的光的量。不同的照射配置(面、線等)可以 通過對適當的二次源點位置上的點響應進行求和而概括。多光譜數據 立方體R與傳統(tǒng)的指紋圖像以及光譜生物測定數據集有關，包含與這些 生物測定模態(tài)中的每一種有關的信息。多光譜數據立方體R是其他兩個 數據集中任意一個的超集，并包含相關性和這兩個單獨的模態(tài)中任意 一個可能缺失的其他信息。由于TIR效應而在皮膚-壓盤分界面上形成的光學交互在所有波 長上大致相同，這是因為壓盤材料和皮膚的光學折射率在所用波長范 圍上通常不具有明顯的不同。然而，組織圖像通常會受到例如不同波 長、不同偏振條件、不同照射和檢測角度的因素以及限定不同光學條 件并包括多光譜條件的其他因素的影響。多光譜圖像數據立方體包含來自多個源的空間-頻譜 (spatio-spectral)信息。僅作為示例，在針對與壓盤接觸的指尖進 行測量的情況下，所產生的數據立方體包含由于以下原因而產生的效 果(i)指尖與壓盤之間的光學分界面，與包含在傳統(tǒng)非TIR指紋中的 信息類似；(ii)組織的整體光譜特性，該特性因人而異；(iii)臨近 皮膚表面的血管，特別是恰好位于構成外部指紋圖案的趾掌脊之下的 毛細血管；以及(iv)分布在組織中更深位置處的血管和其他光譜有 效結構，與血管成像的方式類似。這樣，本發(fā)明的實施例提供了從被 測量的指尖或其他皮膚部位內的多個源中提取生物測定數據的機制， 從而提供了多因素的生物測定-檢測應用。由于皮膚和下層組織復雜的波長依賴屬性，與給定圖像位置相對 應的光譜數值集具有良好定義且有所區(qū)別的光譜特性。這些光譜特性 可以用于逐個像素地對多光譜圖像數據進行分類。這個評估可以通過 從合格圖像集中產生典型組織光譜品質而執(zhí)行。例如，圖6所示的多光 譜數據可以被記錄為NX5的矩陣，其中N是包含來自活性組織而不是來
自周圍空氣區(qū)域的數據的圖像像素的數目。對這個集矩陣執(zhí)行的特征 分析或其他因素分析產生了這些組織像素的代表性光譜特征。使用例如mahalanobis距離的度量和光譜殘余，對后一數據集中的像素的光譜 與先前建立的光譜特征進行比較。如果多于某個小數目的圖像像素具 有與活性組織不一致的光譜品質，則該樣本被認為是非真實的并被拒 絕，從而提供了一種把反欺騙方法合并到感測器中的機制，該反欺騙 方法根據樣本活性的確定而進行。類似地，在樣本是指尖的實施例中，多光譜圖像像素基于其光譜 品質而被分類為"脊"、"谷"或"其他"?？梢允褂门袆e分析方法來執(zhí) 行所述分類，例如線性判別分析、二次判別分析、原理組成分析、神 經網絡、以及本領域的技術人員已知的其他分析方法。由于脊和谷像 素在典型的指尖上連續(xù)，在一些實例中，將來自感興趣的圖像像素周 圍的局部鄰域中的多光譜數據用于對該圖像像素進行分類。以這種方 式，從感測器中獲取傳統(tǒng)的指紋圖像，以便進一步處理和進行生物測 定評估。"其他"種類可以表示具有與真實樣本中的預期有所不同的光 譜品質的圖像像素。可以設置被分類為"其他"的圖像像素總數目閾 值。如果超過這個閾值，則可以確定樣本是非真實的，做出適當的指 示，并采取行動。在不超出本發(fā)明的范圍的前提下，可以使用多種備選的光學配 置，圖7A和7B被提供用于示出圖2-4中描述的實施例可以使用的備選配 置的示例。圖7A示出了被用于提供虛線730所示光路的棱鏡700。照射 光740被提供在面726處，而且面724具有反射涂層，該反射涂層可以通 過對光功率整形而有助于對圖像進行聚焦。從面722接收形成TIR圖像 所用的光744，而且在第二攝像機用于組織圖像的實施例中，即與圖2 和3類似，可以從面726接收形成組織圖像的光748。圖7B示出的配置在提供棱鏡750且照射光入射到面772這方面是 類似的，但在面774上不具有反射涂層這方面是不同的。因此，從面774 接收形成TIR圖像所用的光794，而且在第二攝像機用于組織圖像的實 施例中，即與圖2和3類似，從面772接收形成組織圖像的光798。能夠 以結合圖2-4已經描述的多種不同方式來配置圖7A和7B所示的備選實
施例，包括提供不同的偏振條件，使用大致單色或多色光，等等。此外，存在多種不同的方式可對不同實施例中由攝像機收集的數 據進行處理。在具有單一攝像機的實施例或具有多個攝像機的實施例中以不同的方式處理由例如圖3和4所示系統(tǒng)而產生的暗場TIR圖像，并 且可以把根據TIR圖像而獲取的信息與根據組織圖像而獲取的信息進 行結合。例如，可以對沿著TIR圖像中標識的脊的像素進行評估，以確 保光譜特性與活性組織一致。當隨著時間而獲取多個圖像時，可以對 沿著脊的像素中的變化進行評估，以確保觀察到活性組織所期望的灌 注變化。另外，可以針對多個偏振狀態(tài)和/或多個照射波長而產生不同 圖像，以確保結果與活性組織一致。除了這些生存狀態(tài)測試之外，作 為識別過程的一部分，可以對沿著脊的強度差(在空間上并相對于多 個波長、偏振狀態(tài)和/或照射和檢測角度)進行檢査，以確保它們與登 記過程中觀察到的強度差一致。這些脊強度差部分程度上受到下層皮 膚結構的影響。在使用兩個攝像機額外地收集組織圖像數據的實例中，可以使用 多種圖像處理技術來分析圖像數據，包括邊緣檢測和圖像增強技術。 可使用的邊緣檢測技術的示例包括Laplacian of Gaussian、 Sobel、 Prewitt、以及本領域的技術人員所知的其他技術。在一些實例中，可 以創(chuàng)建把組織圖像特征與TIR特征進行相關的線性或非線性模型，使用 該模型來預測TIR圖像的丟失部分。兩種圖像測量的可用性還允許通過 使用雙生物測定檢測而更加具有魯棒性地執(zhí)行生物測定功能。每一個 不同的圖像都包括在相同時刻從主體的相同部分獲取的信息，因此該 組合能夠不被使用不同的樣本或不同的技術來欺騙不同圖像測量的方 法欺騙。因此，該系統(tǒng)通常能夠抵抗多種不同類型的欺騙。此外，可 以通過執(zhí)行活性評估，針對欺騙檢測而直接評估組織數據。這可以包 括對圖像進行光譜評估；檢查子表面圖案，特別是血液圖案；對作 為登記功能的一部分而收集的數據進行匹配；以及確保TIR的指紋圖案與組織圖像一致。利用本發(fā)明的系統(tǒng)所收集的圖像的示例如圖8A-9C所示。圖8A-8C示出了從指尖皮膚部位處的對象收集的圖像，利用三種照射顏色(綠、
紅和藍)來收集組織圖像。圖8A示出了TI財旨紋圖像，圖8C示出了組織 圖像，兩者在圖8B中發(fā)生重疊。明顯的是，組織圖像相對于相應的TIR 圖像提供了更大面積的覆蓋范圍，而且兩者的組合協(xié)同地提供了從兩 者中任一單獨圖像中不可獲取的信息。圖8C中組織圖像的雜色部分是 可被測量的非指紋特征的示例，并且是生物測定應用中感興趣的。圖9A-9C的序列與圖8A-8C的序列類似，但是是在成像前把透明帶 施加到指尖而收集的。雖然圖9A中的TIR圖像由于帶的存在而明顯地惡 化，然而圖9C中的組織圖像幾乎沒有表示出惡化。當對圖像進行組合 時，如圖9B所示，明顯的是，組織圖像的包含使得系統(tǒng)可以對區(qū)域中 的有用數據進行收集，而這些數據是單獨的TIR圖像所不能收集的。圖10提供了當感測器包括光學參考材料時所收集的組織圖像的 示例，在這個實例中，該材料為沿著圖像邊緣而前進的材料1002和1004 的薄片。如上所述，這個材料的存在允許對圖像進行校準，以考慮到 條件的變化，例如來源于光源強度的變化、檢測器靈敏度的變化，等 等。通過使用光學參考材料的區(qū)域中的像素值來執(zhí)行校準，以對圖像 的余下部分進行歸一化。因此，在描述了若干實施例后，本領域的技術人員可以理解，在 不背離本發(fā)明的精神的前提下，可以使用各種修改、備選構造和等同 物。因此，上面的描述不應被看作限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范 圍由所附權利要求而限定。
權利要求
1. 一種用于執(zhí)行生物測定功能的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括 照射源；壓盤，被布置為與個體的皮膚部位發(fā)生接觸； 光檢測器；光具組，被布置為提供所述照射源與所述壓盤之間以及提供所述 壓盤與所述光檢測器之間的光路，其中，所述照射源與所述光具組的 組合提供了多光譜條件下對所述壓盤的照射；以及計算單元，與所述光檢測器接口連接，并具有用于根據從所述皮 膚部位接收到的第一部分光來產生所述皮膚部位的全內反射圖像、并 用于根據從所述皮膚部位接收到的第二部分光來產生所述皮膚部位的 多光譜組織圖像的指令。
2. 根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述照射源可以是多色照 射源。
3. 根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述光具組包括具有多個 面的棱鏡，所述照射源被布置為向第一面提供照射光，而所述光檢測 器被布置為從第二面接收光。
4. 根據權利要求3所述的系統(tǒng)，其中，第一和第二面是同一個面。
5. 根據權利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述光檢測器包括被布置為接收通過所述第二面的所述第一部 分光的第一光檢測器，以及被布置為接收來自第三面的所述第二部分 光的第二光檢測器；所述第二面大致上與第一軸正交，所述第一軸與所述壓盤的角度 大于所述壓盤與空氣的分界面的臨界角0c;以及所述第三面大致上與第二軸正交，所述第二軸與所述壓盤的角度 小于所述臨界角9c。
6. 根據權利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述第一、第二和第三面 是不同的面。
7. 根據權利要求6所述的系統(tǒng)，還包括被布置在不同于所述第一、 第二和第三面的第四面上的漫反射體。
8. 根據權利要求5所述的系統(tǒng)，還包括被布置在不同于所述第一、 第二和第三面的第四面上的光吸收體。
9. 根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述光具組包括被布置為 對入射到所述皮膚部位的光進行偏振、并對所述光檢測器接收到的光 進行偏振的偏光器。
10. 根據權利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述偏光器的朝向使得入射到所述皮膚部位上的光和所述光檢測器接收到的光具有大致平行的偏振o
11. 根據權利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述偏光器的朝向使得入 射到所述皮膚部位上的光和所述光檢測器接收到的光具有大致正交的 偏振。
12. —種用于執(zhí)行生物測定功能的方法，所述方法包括在多光譜條件下照射個體的皮膚部位； 從所述皮膚部位接收光；根據接收到的第一部分光來產生所述皮膚部位的全內反射圖像；以及根據接收到的第二部分光來產生所述皮膚部位的多光譜組織圖像。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中，照射所述皮膚部位包括利用單一的照射源來照射所述皮膚部位。
14. 根據權利要求12所述的方法，其中，照射所述皮膚部位包括:利用多色光來照射所述皮膚部位。
15. 根據權利要求12所述的方法，其中照射所述皮膚部位包括-產生光；以及把所產生的光對準所述皮膚部位和漫反射體，以提供漫射光場；以及產生所述皮膚部位的所述全內反射圖像包括識別所述皮膚部位 與所述光發(fā)生光接觸并吸收光的位置所對應于的暗圖案。
16. 根據權利要求12所述的方法，其中照射所述皮膚部位包括 產生光；以及把所產生的光對準皮膚部位和光吸收體；以及 產生所述皮膚部位的所述全內反射圖像包括識別所述皮膚部位與所述光發(fā)生光接觸并重新發(fā)射光的位置所 對應于的被照射圖案。
17. 根據權利要求12所述的方法，其中所述皮膚部位與壓盤發(fā)生接觸，所述壓盤定義了具有臨界角 的壓盤-空氣分界面；從所述皮膚部位接收光包括利用布置在第一軸上的第一光檢測器來接收所述第一部分光，所 述第一軸與所述壓盤-空氣分界面的角度大于9c;以及利用布置在第二軸上的第二光檢測器來接收所述第二部分光，所 述第二軸與所述壓盤-空氣分界面的角度小于e c。
18. 根據權利要求12所述的方法，其中，照射所述個體的所述皮 膚部位包括對所產生的光進行偏振，所述方法還包括對所接收到 的所述第二部分光進行偏振。
19. 根據權利要求18所述的方法，其中，所產生的光和所接收到 的所述第二部分光的偏振大致平行。
20. 根據權利要求18所述的方法，其中，所產生的光和所接收到 的所述第二部分光的偏振大致正交。
21. 根據權利要求18所述的方法，其中，所產生的光和所接收到的所述第二部分光具有第一相對偏振，所述方法包括重復以下步驟照射所述皮膚部位、從所述皮膚部位接收光、產生所述全內反射圖像、 以及產生所述多光譜組織圖像，其中所產生的光和所接收到的所述第 二部分光具有與所述第一相對偏振不同的第二相對偏振。
22. 根據權利要求12所述的方法，其中照射所述個體的所述皮膚部位包括對所產生的光進行偏振；以及 從所述皮膚部位接收光包括以與所產生光的偏振大致平行的偏 振，對所接收到的所述第一部分光進行偏振。
23. 根據權利要求12所述的方法，包括重復照射所述皮膚部位并從所述皮膚部位接收光的步驟； 產生第二多光譜組織圖像；以及 根據所述第二多光譜組織圖像來確定灌注變化。
24. 根據權利要求12所述的方法，還包括根據所述多廣譜組織圖像來確定所述皮膚部位處的組織的活性狀態(tài)。
25. 根據權利要求12所述的方法，還包括通過確認所述全內反射圖像和所述組織圖像與先前收集的登記數據的一致性，來對所述個 體的身份進行驗證。
26. —種用于執(zhí)行生物測定功能的方法，所述方法包括 在第一組光學條件下捕獲個體的皮膚部位的第一圖像； 在不同于所述第一組的第二組光學條件下捕獲所述個體的所述皮膚部位的第二圖像；以及使用所述第一和第二圖像來執(zhí)行所述生物測定功能。
27. 根據權利要求26所述的方法，其中，所述第一和第二組光學條件定義了入射到所述皮膚部位上的光的不同波長。
28. 根據權利要求26所述的方法，其中，所述第一和第二組光學條件定義了不同的偏振狀態(tài)。
全文摘要
提供了用于把全內反射和組織成像進行組合以執(zhí)行生物測定功能的方法和系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可以包括照射源、壓盤、光檢測器、光具組、以及計算單元。所述壓盤被布置為與個體的皮膚部位發(fā)生接觸。所述光具組被布置為提供照射源與壓盤之間以及壓盤與光檢測器之間的光路。照射源與光具組的組合提供了多光譜條件下對壓盤的照射。計算單元與光檢測器接口連接，并具有用于根據從皮膚部位接收到的第一部分光來產生全內反射圖像、并用于根據從皮膚部位接收到的第二部分光來產生多光譜組織圖像的指令。
文檔編號A61B5/00GK101124586SQ200580048430
公開日2008年2月13日 申請日期2005年12月19日 優(yōu)先權日2004年12月17日
發(fā)明者羅伯特·K·羅 申請人:光譜辨識公司